Les piles à combustible à conduction protonique constituent des candidats prometteurs dans la recherche de technologies énergétiques durables et écologiques. Ces piles peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux inorganiques, parmi lesquels l'oxyde d'indium et de baryum (Ba2In2O5) . Sa version hydrogénée,Ba2In2O5(H2O)X (0 < X < 1), obtenue à haute température et sous humidité accrue, est capable d'une conduction protonique efficace – une condition préalable essentielle à sa fonctionnalité.
Il a été démontré que l'oxyde d'indium et de baryum contient au moins deux sites protoniques, nommés H(1) et H(2), liés de manière covalente à différents atomes d'oxygène. Le mécanisme de conduction protonique de Ba2In2O5(H2O)X est attribué à des mouvements de rotation et de saut des protons. Cependant, ces mouvements localisés semblent insuffisants pour expliquer entièrement la diffusion protonique dans ce matériau. En effet, un échange de protons entre ces deux sites est également attendu.
La conception des futures générations de piles à combustible durables, basées sur ces matériaux, exige une compréhension approfondie de leur mécanisme de diffusion protonique. Dans cette optique, une étude combinant la diffusion inélastique de neutrons et des simulations de dynamique moléculaire a été conçue pour explorer la dynamique des protons dans les versions entièrement et partiellement hydratées de Ba2In2O5(H2O)X. Ce projet, dirigé par Maths Karlsson (Université Chalmers, Suède), a été mené en collaboration avec des scientifiques d'ISIS (Royaume-Uni), de la TU Munich (Allemagne) et de l'ILL.
« Les mouvements des protons se sont avérés principalement rotationnels dans le cas de H(1). Pour H(2), nous avons observé des transferts de protons entre des atomes d'oxygène adjacents », explique Michael M. Koza, l'un des scientifiques de l'ILL. Les temps de résidence des protons (c'est-à-dire le temps qu'ils restent dans une position donnée) étaient de l'ordre de la picoseconde. Ces échelles de temps infimes sont facilement accessibles grâce aux expériences neutroniques à résolution en énergie. Afin de couvrir un large éventail de résolutions en énergie et de transferts de quantité de mouvement, permettant ainsi de suivre la diffusion locale et à plus longue distance, les spectromètres IN16B et IN6 de l'ILL, ainsi que TOFTOF du MLZ, ont été utilisés de manière complémentaire.
L'équipe a également réalisé une découverte pour le moins surprenante. « Nos expériences ont mis en évidence un troisième site protonique, H(3), au sein du matériau entièrement hydraté. Ce site favorise en réalité l'interéchange entre H(1) et H(2). Plus important encore, c'est ce nouveau site qui explique la diffusion protonique à longue distance que nous avons observée dans le composé totalement hydraté », précise Maths Karlsson.
Par ailleurs, le mécanisme de conduction protonique des composés Ba2In2O5 analysés s'est révélé être anisotrope. Les résultats expérimentaux étaient en parfait accord avec les simulations de dynamique moléculaire, qui ont fourni les trajectoires des protons concernés.
Ces expériences démontrent avec force, la puissance des neutrons, et notamment de la diffusion inélastique de neutrons, pour caractériser les mouvements (sous-)moléculaires avec une résolution temporelle sans précédent. Ces recherches sont cruciales pour une compréhension approfondie des mécanismes fondamentaux qui étayeront les solutions de demain pour une gestion énergétique durable.
Représentation schématique de (a) Ba2In2O5 et (b) de son homologue pleinement hydraté, BaInO3H, incluant les notations adoptées dans le présent travail.
Référence: Perrichon, A., Koza, M. M., Evenson, Z., Frick, B., Demmel, F., Fouquet, P., & Karlsson, M. (2023). Proton Diffusion Mechanism in Hydrated Barium Indate Oxides. Chemistry of Materials, 35(17), 6713-6725.
Contacts ILL: Michael Marek Koza, Bernhard Frick.